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biogás

Marta Pérez Martínez, María José Cuesta Santianes, Sylvia Núñez Crespí, Juan Antonio Cabrera Jiménez Unidad de Prospectiva y Vigilancia Tecnológica (Ciemat, Madrid)

Utilización de biogás en sistemas de pilas de combustible La utilización de biogás en sistemas basados en pilas de combustible se considera una alternativa de generación energética de gran interés al suponer el aprovechamiento de un recurso valioso, producto residual de distintos procesos de degradación anaeróbica de la biomasa, que puede permitir la generación combinada de calor y electricidad de un modo eficiente, evitándose la emisión a la atmósfera de gases de efecto invernadero.

A

ctualmente, casi el 90% de la energía generada en el mundo procede de combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural). La creciente demanda energética derivada del desarrollo económico e industrial conlleva una disminución progresiva de las reservas de estos recursos, lo que repercute en el encarecimiento de los mismos. Por otro lado, su combustión para la generación de electricidad y calor, conduce a la emisión a la atmósfera de elevadas concentraciones de CO2, uno de los principales gases responsables del efecto invernadero. A este respecto, la legislación de los diferentes países va siendo cada vez más restrictiva (Directiva IPPC). Este marco económico y medioambiental justifica la necesidad de buscar nuevas fuentes de energía alternativas más respetuosas con el medio ambiente, como las de carácter renovable, así como el desarrollo de nuevas tecnologías de generación eléctrica de mayor eficiencia. La utilización de biogás en pilas de combustible satisface ambos propósitos, al combinar una tecnología de generación prometedora de elevada eficiencia y bajo impacto medioambiental con el uso de un combustible de buena calidad y atractivo económico. Actualmente, en la mayoría de las instalaciones en las que se origina el biogás (estaciones depuradoras de aguas

residuales, vertederos, granjas, etcétera), éste es considerado como un subproducto con elevadas concentraciones de gases de efecto invernadero (CH4 y CO2) generado en grandes cantidades, que, tras un mínimo tratamiento, se libera a la atmósfera o se quema en antorchas, con sus consiguientes repercusiones medioambientales. Por ello, su utilización en pilas de combustible se contempla como una alternativa de gran interés al conllevar el beneficio doble de la reducción de las emisiones contaminantes de efecto invernadero y el aprovechamiento energético de un recurso valioso que puede permitir la generación propia y

combinada de calor y electricidad (cogeneración) de un modo eficiente. Ambas líneas de desarrollo (biogás y pilas de combustible) están siendo apoyadas desde las distintas administraciones de todo el mundo, existiendo numerosos programas en los que se tratan como temas de carácter prioritario. Japón y Estados Unidos son los países pioneros en este ámbito.

Biogás: origen, composición, usos y volumen de producción Con el término biogás se define la mezcla de gases constituida básicamente por CH4 y CO2 que se obtiene como producto final

Tabla 1. Composición del biogás según el origen del sustrato Residuos agrícolas y ganaderos

Lodos de EDAR

Residuos industriales

Vertederos de RSU

CH4

50-80%

50-80%

50-70%

45-65%

CO2

30-50%

20-50%

30-50%

34-55%

N2

0-1%

0-3%

0-1%

0-20%

O2

0-1%

0-1%

0-1%

0-5%

H2

0-2%

0-5%

0-2%

0-1%

CO

0-1%

0-1%

0-1%

Trazas

H2S

100-7000 ppm

0-1%

0-8%

0.5-100 ppm

NH3

Trazas

Trazas

Trazas

Trazas

Saturación

Saturación

Saturación

Saturación

Trazas

Trazas

Trazas

5 ppm

Vapor de agua Orgánicos

Fuente: Coombs, 1990 en Campos et al, 2001 [1]

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Planta de biogás.

de la digestión anaeróbica de compuestos orgánicos mediante la acción de determinados tipos de bacterias. La composición y las características del biogás dependen de la naturaleza de la materia prima digerida, así como de la tecnología utilizada. Los residuos que se emplean como material de partida para la obtención de biogás son los residuos agrícolas y ganaderos, la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (RSU), los residuos industriales biodegradables y los lodos de las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR). En la tabla 1 se resume la composición promedio del biogás según el tipo de sustrato. La producción de biogás a partir de cada sustrato varía en función del contenido de su carga orgánica y de la biodegradabilidad de la misma. En general, los residuos orgánicos industriales y la fracción orgánica de los RSU presentan altos potenciales de producción. Sin embargo, los residuos ganaderos y los lodos de EDAR presentan menores potenciales debido a su relativamente bajo contenido en materia orgánica y baja biodegradabilidad. Las aplicaciones energéticas del biogás pueden ser térmicas o eléctricas, en función de su grado de pureza. El biogás más impuro se emplea como combustible en equipos comerciales diseñados para

gas natural o propano (cocinas, calentadores de agua, estufas, etcétera), siendo ésta su utilización tradicional. No obstante, no cabe duda de que el uso más interesante que tiene el biogás actualmente es la generación de electricidad y la cogeneración o producción conjunta de calor y electricidad. El biogás con un grado medio de pureza, se puede utilizar en motores de explosión de ciclo Otto (gasolina), en motores diésel y en turbinas de gas. Entre las turbinas de gas cabe destacar las microturbinas, turbinas de un tamaño muy reducido y potencia próxima a 30 kW. Respecto a otros motores, se caracterizan por adaptarse mucho mejor a las necesidades del biogás, aunque su eficiencia energética es menor. Junto a las máquinas señaladas, merecen especial atención las pilas de combustible, tratándose de una tecnología prometedora para la producción de energía eléctrica y cogeneración por su bajo impacto ambiental y su elevado rendimiento (de aproximadamente un 50%). Precisan de un biogás con un grado de pureza medio-alto, en función del tipo de dispositivo de que se trate. No obstante, pese a las ventajas que parecen ofrecer estos sistemas, su elevado coste y el hecho de que estén todavía en un nivel precomercial y en fase de desarrollo

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hace que, por el momento, todavía no sean sistemas económicamente competitivos con la tecnología convencional que emplea motores para la generación eléctrica a partir de este recurso. Sin embargo, en los últimos años está suscitando sumo interés la combinación de pilas de combustible con turbinas de gas o vapor, ya que estos sistemas híbridos consiguen aumentar significativamente la eficiencia energética global. Previsiblemente, en el futuro podrían llegar a sustituir a la tecnología convencional. A medio plazo, los sistemas más prometedores y potencialmente competitivos en términos de costes y de eficiencia, alimentados con biogás, son los híbridos de pila de combustible de óxido sólido (SOFC) y microturbina de gas [2, 3]. En lo que se refiere a la producción de biogás, durante 2006 se generaron en la Unión Europea 5.346,7 ktep (miles de toneladas equivalentes de petróleo). Alemania y Reino Unido, con 1.923,2 y 1.696 ktep, respectivamente, son, con diferencia, los países líderes, contribuyendo al 67,7% de la producción. A continuación, les siguen Italia (535,8 ktep) y España (334,3 ktep). El potencial de producción estimado en 2020 es de 18.000 ktep, concentrándose la mayor parte en Francia, Alemania y el Reino Unido. 4

Química e Industria

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biogás Tabla 2. Características de los distintos tipos de pilas de combustible Conductor iónico H+

Temperatura de operación 60-80°C

Polímero sólido

H+

60-120°C

Metanol

30-40%

5 kW

Portátil.

AFC

KOH

OH-

50-100°C

H2 puro

40-60%

5-150 kW

Espacio.

PAFC

Ácido fosfórico

H+

200-220°C

H2 puro (tolera CO2, 1% CO)

40-45%

50-11 MW

Estacionaria de media potencia.

Tipo de pila de combustible PEMFC

DMFC

Electrolito Polímero sólido (Nafion®)

Combustible

Rendimiento

H2 puro (tolera CO2, 10 ppm CO)

35-45%

Rango de potencia 5-250 kW

Aplicaciones Transporte. Portátil. Estacionaria de baja potencia.

MCFC

Li2CO3 / K2CO3

CO32-

600-700°C

H2, CO, CH4, otros HCs (consume CO2 en cátodo)

45-60%

100 kW-2 MW

Estacionaria de alta potencia.

SOFC

ZrO2 / Y2O3 (YSZ)

O2-

800-1000°C

H2, CO, CH4, otros HCs (tolera CO2)

50-65%

100-250 kW

Estacionaria de media potencia. Transporte (APU).

Fuente: Tabla modificada de la Asociación Española de Pilas de Combustible [4]

4Pilas

de combustible: variantes tecnológicas Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos capaces de convertir directamente la energía de la reacción química producida entre un combustible y un oxidante, en energía eléctrica (corriente continua), liberando agua y calor. Están constituidas básicamente por dos electrodos porosos, ánodo y cátodo, separados por un electrolito denso. El tipo de electrolito utilizado determina la temperatura de operación y, por tanto, el rango de aplicación del dispositivo. Atendiendo al tipo de electrolito, las pilas de combustible se pueden clasificar en: pilas de combustible de membrana polimérica (PEMFC), pilas de combustible alcalinas (AFC), pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC), pilas de combustible de carbonatos fundidos (MCFC) y pilas de combustible de óxido sólido (SOFC). Junto a esta clasificación cabe, además, distinguir las pilas de combustible de metanol directo (DMFC) y las pilas de combustible de carbón directo (DCFC). La tabla 2 resume las principales características de estos sistemas. El nivel de desarrollo tecnológico varía de un tipo de pila de combustible a otro (tabla 3). En los últimos 15 años, se está realizando un intenso esfuerzo a nivel mundial para desarrollar la tecnología. Estados Unidos, Japón y Europa son los lugares en los que han surgido más iniciativas. Sin embargo, todavía es necesario un considerable impulso para que estos sistemas logren penetrar en el mercado y sean competitivos en términos de costes y experiencia. A día de hoy, tan solo ocupan estre-

Tabla 3. Estado de desarrollo de la tecnología Tipo de pila de combustible PEMFC

Nivel de desarrollo tecnológico Unidades de demostración de sistemas estacionarios de 250 kW con cogeneración, aunque todavía comercialmente poco competitivas. Vehículos en fase comercial inicial.

DMFC

Todavía en fase de I+D. Investigación básica aún muy necesaria.

AFC

Sistemas para dispositivos espaciales completamente desarrollados. Sistemas para transporte disponibles para fase inicial de demostración.

PAFC

Sistemas de 200 kW comerciales, pero con precios poco competitivos en sus principales mercados.

MCFC

Unidades de demostración de sistemas de 250 kW y, previamente, de 2 MW. Fase de comercialización próxima.

SOFC

Sistemas tubulares disponibles para fase de demostración; configuración planar en desarrollo.

IT-SOFC

Investigación básica aún necesaria.

Fuente: Datos procedentes del Department of Trade and Industry of the United Kingdom [5]

chos nichos de mercado donde la fiabilidad y la calidad de la energía son los factores determinantes o donde no existe ninguna otra alternativa apropiada. Éste último es el caso, habitualmente, de sistemas distribuidos con cogeneración. En la actualidad, el sector de la automoción es el más prometedor (PEMFC), echándose en falta la existencia de un adecuado marco de legislación y códigos de buenas prácticas que favorezcan el desarrollo.

Uso de biogás en pilas de combustible Las primeras experiencias de utilización de biogás en pilas de combustible se realizaron a comienzos de los años noventa en pilas de combustible de ácido fosfórico. El

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éxito obtenido sirvió de estímulo a los fabricantes de otras tecnologías, quienes comenzaron a considerar al biogás como una prometedora alternativa al uso del hidrógeno y otros hidrocarburos convencionales, como el metano. La sustitución de este último por biogás permite la utilización de un combustible más diluido de menor poder calorífico, pero que, en general, no conduce a cambios tecnológicos significativos. En el año 2006, Stahl [6] identificó un total de 36 instalaciones de pilas de combustibles alimentadas con biogás con una generación global de potencia eléctrica superior a 8 MW (figura 1). La inmensa mayoría están basadas en pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) alimentadas con biogás procedente de la digestión anaeróbica de lodos de EDAR. Estados Uni-

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Residuos agrícolas y ganaderos 3 Gas de vertederos 2 Aguas residuales 31

BIOGÁS

Eliminación de....

PEMFC 1 MCFC 11

Acondicionamiento de biogás

H2S

SOFC 0 PAFC 24

MCFC SOFC

China 1 Korea 1

dos y Japón son los países que cuentan con un mayor número de ellas, existiendo en ambos países una legislación muy estricta en materia medioambiental. La necesidad de utilizar metales nobles para la fabricación de los catalizadores en PEMFC y la elevada sensibilidad de estos sistemas, que operan a temperaturas relativamente bajas, frente a la presencia de contaminantes, limita notablemente su compatibilidad con el empleo del biogás. Sin embargo, las elevadas temperaturas de operación de las MCFC y SOFC las convierten en candidatas idóneas para su utilización. Así, el CO del biogás, cuya presencia produce el envenenamiento de pilas de combustible de baja temperatura, es un combustible adicional para las de alta temperatura. Además, la elevada temperatura de los gases de sali-

Adsorción en char de carbón

Siloxanos

Enfriamiento a -2ºC/ adsorción en char de carbón

Humedad

Ajuste contenido H2O

Reformado a CO2+H2

Fuente: Stahl, 2006 [6]

Figura 1. Instalaciones de pilas de combustible clasificadas según el origen del biogás, el tipo de pila de combustible utilizado y el país de ubicación

HC halogenados

Sólidos

EEUU 20 Procesado de biogás

Alemania 2 Japón 12

Absorción en Fe2O3/ZnO Carbones activos -KOH/KI Biofiltros

PAFC

Desplazamiento de CO a CO2+H2

PEMFC

Eliminación de CO hasta < 10 pmm

Filtros

SMR/DMR/POM/ATR

WGS (HT+LT)

PSA / SLOX / Membranas de separación

Fuente: Figura modificada de Ferreira, 2005 [7]

Figura 2. Etapas de tratamiento del biogás para su utilización en pilas de combustible.

da en este tipo de dispositivos permite la integración completa de la unidad de procesado de combustible con la unidad de potencia, obteniéndose rendimientos totales muy elevados. Por otro lado, la utilización de MCFC conlleva la ventaja adicional de que el CO2 del biogás se puede utilizar como alimentación del cátodo. Las pilas de combustible de alta temperatura toleran mejor las impurezas, así, por ejemplo, determinadas SOFC permiten utilizar biogás con elevado contenido de amonio sometiéndolo tan solo a un tratamiento previo de desulfuración, mientras que en otros tipos de pilas de combustible, es el caso de las PEMFC y PAFC, el amonio es un potente agente de envenenamiento. La sensibilidad de las pilas de combustible a determinado tipo de compuestos

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implica que, previamente a su uso, el biogás debe someterse a una primera y necesaria etapa de limpieza/acondicionamiento, seguida de otra etapa de reformado que lo convierte en un combustible rico en hidrógeno (figura 2). No obstante, esta etapa de reformado puede tener lugar en el interior de determinadas pilas de combustible de alta temperatura [8, 9].

Situación investigadora: análisis bibliométrico El análisis de las publicaciones científicas hasta diciembre de 2007 a través de ISI Web of Knowledge, Scopus y Science Direct permitió identificar a los investigadores relacionados con el estudio de la utilización de biogás en sistemas de pilas de combustibles, las instituciones a las que pertenecen, el4

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biogás 29

23

Nº de publicaciones

20 18 14 10 7

6

1

1

1

1

2

2006

2007

2005

2003

2004

2001

2002

2000

1998

1999

1996

1997

1994

1995

1992

1993

1990

1991

0 1989

1987

0 1988

0 1986

0

1985

1 1984

1983

1

Agradecimientos

4

3

Figura 3. Número de artículos publicados por año.

4 área de especialización en la que trabajan y las relaciones de colaboración existentes entre ellos. Se identificaron un total de 148 publicaciones a nivel mundial. La evolución cronológica mostrada en la figura 3 refleja el creciente interés que se ha desarrollado en los últimos cinco años por estudiar el uso del biogás en pilas de combustible. Con 43 publicaciones, Estados Unidos es el país situado a la cabeza; en segundo lugar figura Alemania, con 28; seguido de Italia, con 22. Detrás se encuentran Japón y el Reino Unido, con 16 y 12, respectivamente. A continuación, muy distanciados, se sitúan Grecia, Austria y Canadá, con cuatro publicaciones. España se encuentra en octavo lugar, con tres, al igual que Holanda, Suecia y la India. En relación con las instituciones que participan en estas publicaciones, a pesar de que la mayoría son americanas o alemanas, con el 47% del total, la Universidad de Perugia (Italia) es el centro puntero, con 16 publicaciones. A continuación, se encuentra la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (US EPA) con 12 publicaciones, seguida de la Universidad de Keele (Reino Unido) e International Fuel Cells Corp/ONSI (Estados Unidos), ambas con siete publicaciones. España cuenta con dos instituciones con artículos, el Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (ICP, CSIC) y el Ciemat, ambas con dos publicaciones. El análisis de las publicaciones ha permitido identificar la relación y grado de colaboración existente entre las distintas instituciones: resulta sumamente significativa la escasa colaboración que existe

entre ellas y que, además, tiene lugar, preferentemente, entre las pertenecientes a un mismo país. Los artículos científicos aportan información acerca de los temas de especialización tecnológica de las diferentes instituciones, de manera que éstas se clasificaron atendiendo a las líneas de trabajo: tipo de pila de combustible, potencia, origen del biogás y proceso de pretratamiento. En relación al uso de biogás en SOFC cabe destacar la Universidad de Keele (Reino Unido) y el EPFL (Suiza). Entre los centros que desarrollan su actividad científica en el uso de PEMFC señalar el Instituto de Ingeniería Agrícola de Bornim (Alemania) y, en el caso de España, el grupo de pilas de combustible del CIEMAT-ICP. Entre los centros con actividad en el campo de las MCFC destacan, entre otros, la Universidad de Perugia y ENEA (ambas instituciones italianas). La mayoría de los artículos de estos centros son estudios comparativos con otro tipo de tecnologías de generación de energía. En Alemania, sobresale la actividad desarrollada por MTU CFC Solutions y RWE Fuel Cells en la aplicación de MCFC a gran escala, al igual que sucede con FuelCell Energy en Estados Unidos. En España, el grupo Ciemat-ICP cuenta con publicaciones sobre el aprovechamiento del biogás de vertedero para la producción de energía eléctrica mediante una MCFC. En la tecnología de las PAFC destacan las instituciones Edison Company (Estados Unidos), GEW Köln (Alemania), Sapporo Brewery (Japón) y la Agencia Ameri-

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cana de Medioambiente (US EPA), quienes han aplicado este tipo de pilas de combustible a gran escala. Respecto a los sistemas de pretratamiento de biogás, señalar que la US EPA desarrolló una unidad que ha sido patentada (WO9601300). En cuanto al uso de biogás en AFC, son pocas las publicaciones encontradas. Por último, a nivel nacional destacar los estudios llevados a cabo en el grupo CiematICP sobre catalizadores de reformado. qei

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Los autores quieren agradecer a la Dra. Paloma Ferreira Aparicio las valiosas sugerencias aportadas a la realización de este estudio. Así como a la Asociación Española de Normalización y Certificación (Aenor), especialmente a Gerardo Malvido (Dirección de Desarrollo), por su colaboración en el proceso de implantación del Sistema de Vigilancia Tecnológica del Ciemat (norma UNE 166006:2006).

Bibliografía [1] Campos E., Bonmatí A., Teira M.R. y Flotats X. Aprovechamiento energético de lodos residuales y purines. Producción de biogás. Jornades Tècniques sobre Energía. Barcelona, 2001. [2] Varbanov P., Klemes J., Friedler F. Integration of Fuel Cells into Combined Power Cycles. Proceedings of 17th European Symposium on Computer Aided Process Engineering-ESCAPE17, 27-30 May 2007, Bucharest, Romania, T5-203, 1089-1094. [3] Winkler W., Nehter P., Williams M.C., Tucker D., Gemmen R. General Fuel Cell Hybrid Synergies and Hybrid System Testing Status. Journal of Power Sources 159 (1), 656-666, 2006. [4] http://www.appice.es/app.php?x=3&x2=2 [5] Department of Trade and Industry of the United Kingdom. Sustainable Energy Technology Route Maps. Fuel Cells. http://www.dti.gov.uk/ files/file15420.pdf [6] Stahl K. Experience report on five years of operation of a sewage-plant-gas-operated 200 kW fuel cell. Gas Wärme International 55 (1), 36-39, 2006. [7] Ferreira P. The use of biogas in fuel cell systems. Luzern Fuel Cell Forum 2005. Fuel Cells for a Sustainable World. Luzern, July 4-8, 2005. [8] Katikaneni S., Yuh C., Abens S., Farooque M. The direct carbonate fuel cell technology: advances in multi-fuel processing and internal reforming. Catalysis Today 77 (1-2), 99-106, 2002. [9] Stroobsndt A., Steeman H-J., Musa A., De Paepe M. Non-isothermal modelling of a solid oxide fuel cell with internal reforming. Proceedings of the 1st European Fuel Cell Technology and Applications Conference 2005. Book of Abstracts, pág 99.

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